Los cursos de educación a distancia son una forma moderna de educación adicional eficaz y formación avanzada en el campo de la formación de especialistas para el desarrollo de tecnologías prometedoras para la producción de materiales funcionales y nanomateriales. Esta es una de las formas prometedoras de educación moderna que se está desarrollando en todo el mundo. Esta forma de adquirir conocimientos es especialmente relevante en un campo tan interdisciplinar como el de los nanomateriales y la nanotecnología. Las ventajas de los cursos a distancia son su accesibilidad, flexibilidad en la construcción de rutas educativas, mayor eficiencia y eficiencia del proceso de interacción con los estudiantes, rentabilidad en comparación con los cursos de tiempo completo, que, sin embargo, se pueden combinar armoniosamente con el aprendizaje a distancia. En el campo de los principios fundamentales de la nanoquímica y los nanomateriales, el Centro Científico y Educativo de Nanotecnologías de la Universidad Estatal de Moscú ha preparado materiales de vídeo:

• . Conceptos básicos y definiciones de ciencias de nanosistemas y nanotecnologías. Historia del surgimiento de la nanotecnología y las ciencias de los nanosistemas. Interdisciplinariedad y multidisciplinariedad. Ejemplos de nanoobjetos y nanosistemas, sus características y aplicaciones tecnológicas. Objetos y métodos de la nanotecnología. Principios y perspectivas para el desarrollo de la nanotecnología.
• . Principios básicos de la formación de nanosistemas. Métodos físicos y químicos. Procesos de obtención de nanoobjetos “de arriba a abajo”. Microesferas clásicas, “blandas”, haz de iones (FIB), AFM - litografía y nanoindentación. Activación mecánica y mecanosíntesis de nanoobjetos. Procesos de obtención de nanoobjetos “bottom-up”. Procesos de nucleación en medios gaseosos y condensados. Nucleación heterogénea, epitaxia y heteroepitaxia. Decaimiento espinodal. Síntesis de nanoobjetos en matrices amorfas (vítreas). Métodos de homogeneización química (coprecipitación, método sol-gel, tecnología crioquímica, pirólisis en aerosol, tratamiento solvotérmico, secado supercrítico). Clasificación de nanopartículas y nanoobjetos. Técnicas de obtención y estabilización de nanopartículas. Agregación y desagregación de nanopartículas. Síntesis de nanomateriales en nanorreactores uni y bidimensionales.
• . Física estadística de nanosistemas. Características de las transiciones de fase en sistemas pequeños. Tipos de interacciones intra e intermoleculares. Hidrofobicidad e hidrofilicidad. Automontaje y autoorganización. Formación de micelas. Monocapas autoensambladas. Películas de Langmuir-Blodgett. Organización supramolecular de moléculas. Reconocimiento molecular. Macromoléculas poliméricas, métodos para su preparación. Autoorganización en sistemas poliméricos. Separación en microfases de copolímeros en bloque. Dendrímeros, cepillos poliméricos. Autoensamblaje capa por capa de polielectrolitos. Polímeros supramoleculares.
• . Sustancia, fase, material. Estructura jerárquica de materiales. Nanomateriales y su clasificación. Nanomateriales funcionales inorgánicos y orgánicos. Materiales híbridos (orgánico-inorgánico e inorgánico-orgánico). Biomineralización y biocerámicas. Materiales nanoestructurados 1D, 2D y 3D. Materiales mesoporosos. Tamices moleculares. Nanocompuestos y sus propiedades sinérgicas. Nanomateriales estructurales.
• . Catálisis y nanotecnología. Principios y conceptos básicos en catálisis heterogénea. Influencia de las condiciones de preparación y activación en la formación de la superficie activa de catalizadores heterogéneos. Reacciones estructurales sensibles e insensibles a la estructura. Especificidad de las propiedades termodinámicas y cinéticas de las nanopartículas. Electrocatálisis. Catálisis sobre zeolitas y tamices moleculares. Catálisis de membrana.
• . Polímeros para materiales estructurales y sistemas funcionales. Sistemas poliméricos "inteligentes" capaces de realizar funciones complejas. Ejemplos de sistemas “inteligentes” (fluidos poliméricos para la producción de petróleo, ventanas inteligentes, membranas nanoestructuradas para pilas de combustible). Biopolímeros como los sistemas más “inteligentes”. Enfoque biomimético. Diseño de secuencias para optimizar las propiedades de polímeros inteligentes. Problemas de evolución molecular de secuencias en biopolímeros.
• . Se examinan el estado actual y los problemas de la creación de nuevos materiales para fuentes de energía química: pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) y baterías de litio. Se analizan factores estructurales clave que influyen en las propiedades de diversos compuestos inorgánicos, que determinan la posibilidad de su uso como materiales para electrodos: perovskitas complejas en SOFC y compuestos de metales de transición (óxidos y fosfatos complejos) en baterías de litio. Se consideran los principales materiales de ánodo y cátodo utilizados en las baterías de litio y reconocidos como prometedores: sus ventajas y limitaciones, así como la posibilidad de superar las limitaciones mediante cambios dirigidos en la estructura atómica y microestructura de los materiales compuestos mediante nanoestructuración para mejorar las características. de fuentes actuales.

Los temas seleccionados se analizan en los siguientes capítulos de libros (Binom Publishing):

Materiales ilustrativos sobre nanoquímica, autoensamblaje y superficies nanoestructuradas:

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Capítulos seleccionados de nanoquímica y nanomateriales funcionales.

Nanoquímica

Química y farmacología.

La nanociencia ha surgido como una disciplina independiente sólo en los últimos 7 a 10 años. El estudio de nanoestructuras es una dirección común para muchas disciplinas científicas clásicas. La nanoquímica ocupa uno de los primeros lugares entre ellos, ya que abre posibilidades casi ilimitadas para el desarrollo, la producción y la investigación...

AGENCIA FEDERAL DE EDUCACIÓN UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA ESTATAL DE OMSK FACULTAD DE QUÍMICA Y BIOLOGÍA
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA Y MÉTODOS DE ENSEÑANZA DE QUÍMICA

Nanoquímica

Completado por: estudiante 1-ХО Kuklina N.E.

Revisado por: Ph.D., Profesor Asociado B.Ya.

Omsk 2008

§1. Historia de la formación de la nanociencia…………………………………………………………3

§2. Conceptos básicos de nanociencia……………………………………………………………….5

§3. Características de la estructura y comportamiento de algunas nanopartículas………………………………8

§4. Tipos de usos aplicados de la nanoquímica………………………………………………………….....9

§5. Métodos de obtención de nanopartículas……………………………………………………..10

§6. Nanomateriales y perspectivas de su aplicación……………………………………...11

Fuentes de información……………………………………………………………………………………13

§1. Historia de la formación de la nanociencia.

1905 Albert Einstein demostró teóricamente que el tamaño de una molécula de azúcar es p y las venas son de 1 nanómetro.

1931 Los físicos alemanes Ernst Ruska y Max Knoll crearon el microscopio electrónico oh alcance que proporciona 10 15 -aumento de veces.

1932 El profesor holandés Fritz Zernike inventó el método de contraste de fases A roscopio una variante de un microscopio óptico que mejoró la calidad de visualización de los detalles de la imagen A zheniya y estudió células vivas con su ayuda.

1939 Siemens, donde trabajaba Ernst Ruska, produjo el primer microscopio electrónico comercial con una resolución de 10 nm.

1966 El físico estadounidense Russell Young, que trabajó en la Oficina Nacional de los Cien norte dardos, inventó el motor que se utiliza hoy en día en los micros de túnel de escaneo. oh alcances y para posicionar nanoinstrumentos con una precisión de 0,01 angstroms (1 nanómetro = 10 angstroms).

1968 El vicepresidente ejecutivo de Bell, Alfred Cho, y John Arthur, empleado de su departamento de investigación de semiconductores, fundamentaron la posibilidad teórica de utilizar la nanotecnología para resolver problemas de tratamiento de superficies y lograr precisión atómica en la creación de dispositivos electrónicos.

1974 El físico japonés Norio Taniguchi, que trabajaba en la Universidad de Tokio, propuso el término "nanotecnología" (el proceso de dividir, ensamblar y cambiar la materia). A pescar exponiéndolos a un átomo o una molécula), que rápidamente ganó popularidad en los círculos científicos.

mil novecientos ochenta y dos En el Centro de Investigación IBM de Zurich, los físicos Gerd Binnig y Ge norte Rich Rohrer creó un microscopio de efecto túnel (STM), que permite construir una imagen tridimensional de la disposición de los átomos en las superficies de materiales conductores.

1985 Tres químicos estadounidenses: el profesor de la Universidad Rice, Richard Smalley, así como Robert Karl y Harold Kroto, descubrieron los fullerenos, moléculas compuestas I formado por 60 átomos de carbono dispuestos en forma de esfera. Estos científicos también pudieron medir por primera vez un objeto de 1 nm de tamaño.

1986 Gerd Binnig desarrolló una microsonda de fuerza atómica de escaneo oh alcance, que finalmente hizo posible visualizar átomos de cualquier material (no solo oh conductores), así como manipularlos.

19871988 En el Instituto de Investigación Delta bajo el liderazgo de P.N. Luskinovich puso en funcionamiento la primera instalación nanotecnológica rusa, que realizaba el escape dirigido de partículas desde la punta de una sonda microscópica bajo la influencia del calentamiento.

1989 Los científicos Donald Eigler y Erhard Schwetzer del Centro de Investigación IBM de California lograron escribir el nombre de su empresa con 35 átomos de xenón sobre un cristal de níquel.

1991 El profesor japonés Sumio Lijima, que trabajó en NEC, y Con utilizó fullerenos para crear tubos de carbono (o nanotubos) con un diámetro de 0,8 nm.

1991 El primer programa de nanotecnología de la National Science Foundation se lanzó en Estados Unidos. El gobierno japonés también participa en actividades similares.

1998 Cees Dekker, profesor holandés de la Universidad Técnica de Delfts, creó un transistor basado en nanotubos. Para ello, tenía que ser el primero en el mundo en cambiar. mi determinar la conductividad eléctrica de dicha molécula.

2000 El físico alemán Franz Gissibl vio partículas subatómicas en el silicio. Su colega Robert Magerle propuso la tecnología de nanotomografía para crear imágenes tridimensionales. R una nueva imagen de la estructura interna de la materia con una resolución de 100 nm.

2000 El gobierno de Estados Unidos inauguró el Instituto Nacional de Nanotecnología Y iniciativa (NNI). El presupuesto de Estados Unidos asignó 270 millones de dólares para esta área, comercial mi Las empresas chinas invirtieron 10 veces más en él.

2002 Cees Dekker conectó un tubo de carbono con ADN, creando un único nano e mecanismo.

2003 El profesor Feng Liu de la Universidad de Utah, utilizando el trabajo de Franz Gissibl, utilizó un microscopio atómico para construir imágenes de las órbitas de los electrones analizando su perturbación a medida que se mueven alrededor del núcleo.

§2. Conceptos básicos de la nanociencia.

La nanociencia surgió como disciplina independiente sólo después d Edad 7-10 años. El estudio de nanoestructuras es una dirección común para muchas disciplinas científicas clásicas. La nanoquímica ocupa uno de los primeros lugares entre ellos, ya que abre posibilidades casi ilimitadas para el desarrollo, producción e investigación de nuevos nanomateriales con propiedades específicas, a menudo de calidad superior a los materiales naturales.

Nanoquímica - es una ciencia que estudia las propiedades de varios sedimentos t estructuras, así como el desarrollo de nuevos métodos para su producción, estudio y modificación.

La tarea prioritaria de la nanoquímica esestablecer una relación entre el tamaño de las nanopartículas A stitsa y sus propiedades.

Objetos de la investigación en nanoquímica.Son cuerpos con una masa tal que su equivalente. Y el tamaño de valencia permanece dentro del nanorango (0,1·100 nm).

Los objetos a nanoescala ocupan una posición intermedia entre los materiales a granel, por un lado, y los átomos y moléculas, por otro. La presencia de talesъ Los efectos en los materiales les confieren nuevas propiedades químicas y físicas. Los nanoobjetos son un vínculo intermedio y de conexión entre el mundo en el que operan. oh conocimiento de la mecánica cuántica y el mundo en el que operan las leyes de la física clásica.

Tamaños característicos de los objetos del mundo circundante.

La nanoquímica estudia la preparación y propiedades de varios nanosistemas. Nanosistemas Representan un conjunto de cuerpos rodeados por un medio gaseoso o líquido. tal t mi Pueden ser grupos y moléculas poliatómicas, nanogotitas y nanocristales. Son formas intermedias entre los átomos y los cuerpos macroscópicos. Tamaño de los sistemas aproximadamente Con se encuentra dentro de 0,1 100 nm.

Clasificación de objetos nanoquímicos por estado de fase.

Estado de fase	átomos individuales	Clústeres	Nanopartículas	Sustancia compacta
Diámetro, nm	0,1-0,3	0,3-10	10-100	Más de 100
Número de átomos	1-10	10-10 6	10 6 -10 9	Más de 10 9

La gama de objetos estudiados por la nanoquímica está en constante expansión. Los químicos siempre han tratado de comprender qué tienen de especial los cuerpos de tamaño nanométrico. Esto condujo al rápido desarrollo de la química coloidal y macromolecular.

En los años 80-90 del siglo XX, gracias a los métodos de la fuerza electrónica, atómica y norte nel microscopía, fue posible observar el comportamiento de nanocristales de metales y n mi sales orgánicas, moléculas de proteínas, fullerenos y nanotubos, y en los últimos años t A Estas observaciones se generalizaron.

Objetos de investigación nanoquímica.

Nanopartículas	Nanosistemas
fullerenos	Cristales, soluciones.
tubulenos	Agregados, soluciones.
Moléculas de proteínas	Soluciones, cristales
Moléculas de polímero	soles, geles
Nanocristales de inorgánicos. sociedades electrónicas	Aerosoles, soluciones coloidales, precipitación.
micelas	Soluciones coloidales
Nanobloques	Sólidos
Langmuir filma Blodgett	Cuerpos con una película en la superficie.
Cúmulos en gases	Aerosoles
Nanopartículas en capas de diferentes tamaños. sociedades electrónicas	Películas nanoestructuradas

Así, se pueden distinguir las siguientes características principales de la nanoquímica:

1. Las dimensiones geométricas de los objetos están en una escala nanométrica;
2. Manifestación de nuevas propiedades por objetos y sus colecciones;
3. Capacidad para controlar y manipular objetos con precisión;
4. Los objetos y dispositivos ensamblados a partir de objetos reciben nuevos consumidores. propiedades bskie.

§3. Características de la estructura y comportamiento de algunas nanopartículas.

Nanopartículas de átomos de gases nobles.son los nanoobjetos más simplesъ etc. Los átomos de gases inertes con capas electrónicas completamente llenas interactúan débilmente entre sí mediante fuerzas de van der Waals. Para describir este tipo de partículas se utiliza el modelo de esferas duras.

Nanopartículas metálicas. En grupos metálicos de varios átomos, se pueden realizar enlaces de tipo covalente y metálico. Las nanopartículas metálicas son altamente reactivas y a menudo se utilizan como catalizadores. A torov. Las nanopartículas metálicas suelen adoptar la forma regular de un octaedro, icos. A edro, tetradecaedro.

Clústeres fractalesestos son objetos con una estructura ramificada: hollín, co yo loides, diversos aerosoles y aerogeles. Fractal es un objeto en el que, con la edad, Con Con una ampliación cada vez mayor, se puede ver cómo en él se repite la misma estructura en todos los niveles y en cualquier escala.

Clústeres molecularesagrupaciones formadas por moléculas. La mayoría de los clastos mi zanja son moleculares. Su número y variedad son enormes. En particular, a las moléculas. en Muchas macromoléculas biológicas pertenecen a cúmulos polares.

fullerenos Son partículas huecas por dentro formadas por polígonos. norte mellas formadas por átomos de carbono unidos por un enlace covalente. Un lugar especial entre los bataneros mi recién ocupada por una partícula de 60 átomos de carbono C 60 , parecido a un balón de fútbol microscópico.

Nanotubos Estas son moléculas huecas en su interior, que constan de aproximadamente 1.000.000 en oh carbono y son tubos de una sola capa con un diámetro de aproximadamente un nanómetro y una longitud de varias decenas de micrones. En la superficie del nanotubo, los átomos de carbono se disuelven. oh colocado en los vértices de hexágonos regulares.

§4. Tipos de usos aplicados de la nanoquímica

Convencionalmente, la nanoquímica se puede dividir en:

• Teórico
• Experimental
• Aplicado

Nanoquímica teóricadesarrolla métodos para calcular el comportamiento de los nanocuerpos, teniendo en cuenta parámetros del estado de las partículas como las coordenadas espaciales y la velocidad. oh tamaño, masa, características de la composición, forma y estructura de cada nanopartícula.

Nanoquímica experimentalse desarrolla en tres direcciones. Como parte de la primera Se están desarrollando y utilizando métodos espectrales ultrasensibles, sí. Yu permitiendo juzgar la estructura de moléculas que contienen decenas y cientos de átomos.dentro del segundoDirecciones, fenómenos bajo electricidad local (local). mi Influencias magnéticas o mecánicas sobre nanocuerpos, implementadas mediante nanosondas y manipuladores especiales.Como parte del tercerYo determino direcciones t Características macrocinéticas de Xia de colectivos de nanocuerpos y funciones de distribución n. A nota según los parámetros del estado.

Nanoquímica aplicada incluye:

• Desarrollo de fundamentos teóricos para el uso de nanosistemas en ingeniería y nanotecnología. oh ología, métodos para predecir el desarrollo de nanosistemas específicos bajo sus condiciones y Con uso, así como la búsqueda de métodos óptimos de operación (técnicos y no química).
• Creación de modelos teóricos del comportamiento de nanosistemas durante la síntesis de nanomats. mi riales y la búsqueda de condiciones óptimas para su producción (nanoquímica sintética).
• Estudio de nanosistemas biológicos y creación de métodos para utilizar nanómetros. Y tallos con fines medicinales (nanoquímica médica).
• Desarrollo de modelos teóricos de formación y migración de nanopartículas en el medio ambiente. en ambiente hostil y métodos para purificar aguas naturales o aire a partir de nanopartículas (CE oh nanoquímica lógica).

§5. Métodos de obtención de nanopartículas.

Básicamente, todos los métodos para la síntesis de nanopartículas se pueden dividir en dos grandes grupos:

Métodos de dispersión, o métodos para la obtención de nanopartículas triturando una macromuestra convencional.

métodos de condensación, o métodos para "cultivar" nanopartículas a partir de átomos individuales.

Métodos de dispersión

En los métodos de dispersión, los cuerpos de partida se trituran en nanopartículas. Algunos científicos llaman en sentido figurado a este enfoque para obtener nanopartículas.“enfoque de arriba a abajo” . Esta es la forma más sencilla de crear nanopartículas, una especie de “carne” oh corte” para macrocuerpos. Este método es ampliamente utilizado en la producción de materiales para microelectrónica; consiste en reducir el tamaño de los objetos a tamaños nanométricos dentro de las capacidades de los equipos industriales y del material utilizado. Y h Es posible moler una sustancia en nanopartículas no sólo mecánicamente. La empresa rusa Advanced Powder Technologies produce nanopartículas haciendo explotar un hilo metálico con un potente pulso de corriente.

También existen formas más exóticas de obtener nanopartículas. Científicos estadounidenses recolectaron microorganismos de hojas de higuera en 2003. rodococo y los colocó en una solución que contenía oro. La bacteria actuó como una sustancia química. Con agente estabilizador, que recoge nanopartículas puras con un diámetro de aproximadamente 10 nm a partir de iones de plata. Al construir nanopartículas, las bacterias se sintieron normales y continuaron multiplicándose.

Condensación métodos

Con métodos de condensación ("enfoque de abajo hacia arriba") las nanopartículas reciben n en Temas de unificación de átomos individuales. El método es que en control. Con En estas condiciones se forman conjuntos de átomos e iones. Como resultado, se forman nuevos objetos con nuevas estructuras y, en consecuencia, con nuevas propiedades, que pueden programarse cambiando las condiciones para la formación de conjuntos. Éste d La medida facilita la solución del problema de la miniaturización de objetos, nos acerca a la solución de una serie de problemas en la litografía de alta resolución, la creación de nuevos microprocesadores, películas delgadas de polímeros y nuevos semiconductores.

§6. Nanomateriales y perspectivas de su aplicación.

El concepto de nanomateriales se formuló por primera vez enAños 80 del siglo XX – G. Gleiter, quien introdujo el término en sí en el uso científico “ nanomaterial " Además de los nanomateriales tradicionales (como elementos y compuestos químicos, sustancias amorfas, metales y sus aleaciones), estos incluyen nanosemiconductores, nanopolímeros, n A materiales no porosos, nanopolvos, numerosas nanoestructuras de carbono, n A Nobiomateriales, estructuras supramoleculares y catalizadores.

Factores que determinan las propiedades únicas de los nanomateriales., son los efectos dimensionales, electrónicos y cuánticos de las nanopartículas que las forman, así como su superficie muy desarrollada. Numerosos estudios han demostrado que b Se producen cambios significativos y técnicamente interesantes en las propiedades físicas y mecánicas de los nanomateriales (resistencia, dureza, etc.) en el rango de tamaño de partículas de varios n A números hasta 100 nm. En la actualidad ya se han obtenido muchos nanomateriales basados ​​en nitruros y boruros con un tamaño de cristalito de aproximadamente 12 nm o menos.

Debido a las propiedades específicas de las nanopartículas subyacentes, tales esteras mi Los riales suelen ser superiores a los “normales” en muchos sentidos. Por ejemplo, meta fuerza yo La obtenida mediante nanotecnología supera en 1,53 veces la resistencia del material convencional, su dureza es 5070 veces mayor y su resistencia a la corrosión es 1012 veces mayor.

Áreas de aplicación de nanomateriales:

• elementos de nanoelectrónica y nanofotónica (transistores semiconductores y láseres; fotodetectores; células solares; sensores diversos)
• dispositivos de grabación de información ultradensos
• telecomunicaciones, tecnologías de la información y la informática, super computadoras
• equipos de video pantallas planas, monitores, proyectores de video
• Dispositivos electrónicos moleculares, incluidos interruptores y circuitos electrónicos a nivel molecular.
• Pilas de combustible y dispositivos de almacenamiento de energía.
• dispositivos de micro y nanomecánica, incluidos motores moleculares y nanomotores, nanorobots
• nanoquímica y catálisis, incluido el control de la combustión, recubrimiento, electricidad A troquimica y farmaceutica
• dispositivos de monitoreo de condición para aplicaciones de aviación, espacio y defensa I investigación ambiental
• administración dirigida de fármacos y proteínas, biopolímeros y curación de tejidos biológicos, diagnóstico clínico y médico, creación de músculos artificiales en pesca, huesos, implantación de órganos vivos
• biomecánica, genómica, bioinformática, bioinstrumentación
• registro e identificación de tejidos cancerígenos, patógenos y agentes biológicamente nocivos; seguridad en la agricultura y la producción de alimentos.

La región de Omsk está lista para desarrollar la nanotecnología

El desarrollo de la nanotecnología es una de las áreas prioritarias para el desarrollo de la ciencia, la tecnología y la ingeniería en la región de Omsk.

Así, en la sucursal de Omsk del Instituto de Física de Semiconductores SB RAS se están llevando a cabo investigaciones h Se trabaja en nanoelectrónica, y en el Instituto de Problemas de Procesamiento de Hidrocarburos de la SB RAS se está trabajando para obtener catalizadores y portadores de carbono nanoporosos.

Fuentes de información:

• http://www.rambler.ru/cgi-bin/news
• http://www.rambler.ru/news
• ht tp : // nanometro.ru
• http://www.nanonewsnet.ru/ 67 KB Equipo de la lección: Presentación El comienzo de la Gran Guerra Patria, que utiliza un mapa del período inicial de la guerra, fragmentos de documentales sobre la guerra, un diagrama sobre la preparación de Alemania y la URSS para la guerra, una exposición de libros dedicados a la Gran Guerra Patria...

Curso curricular

Periódico núm.	Material educativo
17	Conferencia número 1.¿Qué se esconde detrás del prefijo “nano”? Nanociencia y nanoquímica. Efecto dimensional. Clasificación de nanoobjetos.(Eremin V.V., Drozdov A.A.)
18	Conferencia número 2. Métodos de síntesis e investigación de nanopartículas. Clasificación de métodos para la síntesis de nanopartículas. Métodos químicos de síntesis (“de abajo hacia arriba”). Métodos de visualización e investigación de nanopartículas.(Eremin V.V., Drozdov A.A.)
19	Conferencia número 3. Nanotecnología. Investigación básica y aplicada: conexión entre nanociencia y nanotecnología. Nanodispositivos mecánicos. Nanomateriales magnéticos. Nanotecnología en medicina. Desarrollo de la nanotecnología.(Eremin V.V., Drozdov A.A.) Prueba número 1(fecha de vencimiento: 25 de noviembre de 2009)
20	Conferencia número 4. Nanomateriales de carbono. Las formas alotrópicas de carbono son "nano" y "no nano". Nanodiamantes. Fullerenos y sus derivados. Nanotubos, su clasificación y propiedades. Propiedades generales de las nanoformas de carbono.(Eremin V.V.)
21	Conferencia número 5. Nanomateriales para la energía. Fuentes de energía tradicionales y alternativas. Nanomateriales en pilas de combustible. Nanomateriales para el almacenamiento de hidrógeno.(Eremin V.V.)
22	Conferencia número 6. Nanocatálisis. Propiedades generales de los catalizadores. Clasificación de reacciones catalíticas. Principios de cumplimiento estructural y energético. Catálisis sobre nanopartículas y zeolitas.(Eremin V.V.) Prueba número 2(fecha de vencimiento – 30 de diciembre de 2009)
23	Conferencia número 7. Nanoquímica en problemas de Olimpíada. 1. Tareas sencillas. Métodos para producir nanopartículas. Estructura de nanopartículas. Propiedades de las nanopartículas.(Eremin V.V.)
24	Conferencia número 8. Nanoquímica en problemas de Olimpíada. 2. Tareas combinadas complejas. (Eremin V.V.)
Trabajo final. Se deberá enviar a la Universidad Pedagógica un breve informe sobre el trabajo final, acompañado de un certificado de la institución educativa, a más tardar el 28 de febrero de 2010. (Se publicarán más detalles sobre el trabajo final después de la conferencia número 8.)

V.V.EREMIN,
A.A.DROZDOV

CONFERENCIA N° 1
¿Qué se esconde detrás del prefijo “nano”?

Nanociencia y nanoquímica

En los últimos años, hemos visto cada vez más palabras que comienzan con el prefijo “nano” en titulares de periódicos y artículos de revistas. Por radio y televisión nos informan casi a diario sobre las perspectivas de desarrollo de la nanotecnología y los primeros resultados obtenidos. ¿Qué significa la palabra “nano”? Proviene de la palabra latina nanús- “enano” y literalmente indica el pequeño tamaño de las partículas. Los científicos han dado al prefijo “nano” un significado más preciso: una milmillonésima parte. Por ejemplo, un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro, o 0,000 000 001 m (10 –9 m).

¿Por qué los nanotamaños atrajeron la atención de los científicos? Realicemos un experimento mental. Imaginemos un cubo de oro con una arista de 1 m. Pesa 19,3 toneladas y contiene una gran cantidad de átomos. Dividamos este cubo en ocho partes iguales. Cada uno de ellos es un cubo con una arista de la mitad del tamaño del original. La superficie total se ha duplicado. Sin embargo, las propiedades del metal en sí no cambian (Fig. 1). Continuaremos este proceso más allá. Tan pronto como la longitud del borde del cubo se acerque al tamaño de moléculas grandes, las propiedades de la sustancia serán completamente diferentes. Hemos alcanzado el nivel nano, es decir. Se obtuvieron nanopartículas cúbicas de oro. Tienen una enorme superficie total, lo que les confiere muchas propiedades inusuales y los hace bastante diferentes del oro común. Por ejemplo, las nanopartículas de oro se pueden distribuir uniformemente en agua, formando una solución coloidal: un sol. Dependiendo del tamaño de las partículas, el sol de oro puede tener un color naranja, violeta, rojo o incluso verde (Fig. 2).

La historia de la preparación de soles de oro mediante la reducción de sus compuestos químicos se remonta a un pasado lejano. Es posible que fueran el “elixir de la vida” mencionado por los antiguos y obtenido del oro. El famoso médico Paracelso, que vivió en el siglo XVI, menciona la preparación del “oro soluble” y su uso en medicina. La investigación científica sobre el oro coloidal no comenzó hasta el siglo XIX. Curiosamente aún se conservan algunas de las soluciones preparadas en aquella época. En 1857, el físico inglés M. Faraday demostró que el color brillante de la solución se debía a pequeñas partículas de oro en suspensión. Actualmente, el oro coloidal se obtiene a partir del ácido hidroáurico mediante reducción con borohidruro de sodio en tolueno con la adición de un tensioactivo, lo que aumenta la estabilidad del sol (ver conferencia No. 7, tarea 1).

Tenga en cuenta que este enfoque para obtener nanopartículas a partir de átomos individuales, es decir. de abajo hacia arriba en tamaño, a menudo llamado ascendente (inglés - de abajo hacia arriba). Es característico de los métodos químicos para la síntesis de nanopartículas. En el experimento mental que describimos sobre la división de una barra de oro, adoptamos el enfoque opuesto: de arriba hacia abajo ( De arriba hacia abajo), que se basa en la trituración de partículas, normalmente mediante métodos físicos (Fig. 3).

Podemos encontrar nanopartículas de oro no sólo en un laboratorio químico, sino también en un museo. La introducción de una pequeña cantidad de compuestos de oro en el vidrio fundido provoca su descomposición con la formación de nanopartículas. Son ellos quienes le dan a la copa ese color rojo brillante, por lo que se le llama “rubí dorado”.

La humanidad conoció los materiales que contienen nanoobjetos hace muchos siglos. En Siria (en su capital Damasco y otras ciudades) en la Edad Media aprendieron a fabricar espadas y sables fuertes, afilados y sonoros. Durante muchos años, los maestros se transmitieron entre sí en profundo secreto el secreto de la preparación del acero de Damasco. El acero para armas, que no es inferior en propiedades a Damasco, también se preparó en otros países, en India y Japón. Los análisis cualitativos y cuantitativos de estos aceros no permitieron a los científicos explicar las propiedades únicas de estos materiales. Como el acero ordinario, junto con el hierro, contienen carbono en una cantidad de aproximadamente el 1,5% en peso. La composición del acero de Damasco también contenía impurezas metálicas, como manganeso, que acompaña al hierro en algunos minerales, y cementita, carburo de hierro Fe 3 C, formado por la interacción del hierro con el carbón durante su reducción del mineral. Sin embargo, al preparar acero con exactamente la misma composición cuantitativa que Damasco, los científicos no pudieron lograr las propiedades inherentes al original.

Al analizar un material, ¡primero debes prestar atención a su estructura! Al disolver una pieza de acero de Damasco en ácido clorhídrico, los científicos alemanes descubrieron que el carbono que contiene no forma escamas planas ordinarias de grafito, sino carbono. nanotubos. Se llama así a las partículas que se obtienen al torcer una o varias capas de grafito formando un cilindro. En el interior de los nanotubos hay cavidades que se rellenaron con cementita de acero de Damasco. Los hilos más finos de esta sustancia unen los nanotubos individuales entre sí, dando al material una extraordinaria resistencia, viscosidad y elasticidad. Hoy en día han aprendido a producir nanotubos de carbono en grandes cantidades, pero sigue siendo un misterio cómo los “tecnólogos” medievales lograron obtenerlos. Los científicos sugieren que la formación de nanotubos a partir del carbón, que ingresa al acero al quemar madera, fue facilitada por algunas impurezas y un régimen de temperatura especial con calentamiento y enfriamiento repetidos del producto. Este era precisamente el secreto que poseían los artesanos, perdido con el paso de los años.

Como vemos, las propiedades de las nanosustancias y los nanomateriales difieren significativamente de las propiedades de los objetos con la misma composición cualitativa y cuantitativa, pero que no contienen nanopartículas.

En la Edad Media, la creación de sustancias que hoy llamamos nanomateriales se abordaba de forma empírica, es decir, a través de muchos años de experimentos, muchos de los cuales terminaron en fracaso. Los artesanos no pensaban en el significado de las acciones que realizaban; ni siquiera tenían un conocimiento básico de la estructura de estas sustancias y materiales. Actualmente, la creación de nanomateriales se ha convertido en objeto de actividad científica. El término “nanociencia” ya está establecido en el lenguaje científico. nanociencia), que denota el campo de estudio de las partículas de tamaño nanométrico. Dado que desde el punto de vista de la fonética del idioma ruso, este nombre no tiene mucho éxito, se puede utilizar otro, también generalmente aceptado: "ciencia a nanoescala" (inglés - ciencia a nanoescala).

La nanociencia se desarrolla en la intersección de la química, la física, la ciencia de los materiales y la tecnología informática. Tiene muchas aplicaciones. Se espera que el uso de nanomateriales en electrónica aumente mil veces la capacidad de los dispositivos de almacenamiento y, en consecuencia, reduzca su tamaño. Se ha demostrado que la introducción de nanopartículas de oro en el cuerpo, en combinación con irradiación con rayos X, inhibe el crecimiento de células cancerosas. Curiosamente, las nanopartículas de oro por sí mismas no tienen ningún efecto curativo. Su función se reduce a absorber la radiación de rayos X y dirigirla al tumor.

Los médicos también están esperando que finalicen los ensayos clínicos de biosensores para diagnosticar el cáncer. Las nanopartículas ya se están utilizando para administrar fármacos a los tejidos del cuerpo y aumentar la eficiencia de absorción de fármacos poco solubles. La aplicación de nanopartículas de plata a las películas de embalaje puede prolongar la vida útil de los productos. Las nanopartículas se utilizan en nuevos tipos de paneles solares y pilas de combustible, dispositivos que convierten la energía de la combustión del combustible en electricidad. En el futuro, su uso permitirá abandonar la combustión de combustibles de hidrocarburos en las centrales térmicas y en los motores de combustión interna de los vehículos, que son los que más contribuyen al deterioro de la situación medioambiental de nuestro planeta. De esta manera, las nanopartículas sirven para crear materiales y formas de producir energía respetuosos con el medio ambiente.

Las tareas de la nanociencia se reducen al estudio de las propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas, ópticas y químicas de los nanoobjetos: sustancias y materiales. Nanoquímica Como uno de los componentes de la nanociencia, se dedica al desarrollo de métodos de síntesis y al estudio de las propiedades químicas de los nanoobjetos. Está estrechamente relacionado con la ciencia de los materiales, ya que los nanoobjetos forman parte de muchos materiales. Las aplicaciones médicas de la nanoquímica son muy importantes, incluida la síntesis de sustancias relacionadas con proteínas naturales o nanocápsulas que sirven para transportar fármacos.

Los logros de la nanociencia sirven de base para el desarrollo. nanotecnología– procesos tecnológicos para la producción y uso de nanoobjetos. La nanotecnología tiene poco en común con los ejemplos de producción química que se analizan en un curso de química escolar. Esto no es sorprendente: después de todo, los nanotecnólogos tienen que manipular objetos con un tamaño de 1 a 100 nm, es decir, que tienen el tamaño de moléculas grandes individuales.

Existe una definición estricta de nanotecnología*: Se trata de un conjunto de métodos y técnicas utilizados en el estudio, diseño, producción y uso de estructuras, dispositivos y sistemas, incluido el control y la modificación específicos de la forma, el tamaño, la integración y la interacción de sus elementos constituyentes a nanoescala (1-100 nm). obtener objetos con nuevas propiedades químicas, físicas y biológicas. La clave de esta definición es la última parte, enfatizando que la tarea principal de la nanotecnología es obtener objetos con nuevas propiedades.

Efecto de tamaño

Las nanopartículas son comúnmente llamadas objetos que consisten en átomos, iones o moléculas y que tienen un tamaño inferior a 100 nm. Un ejemplo son las partículas metálicas. Ya hemos hablado de nanopartículas de oro. Y en la fotografía en blanco y negro, cuando la luz incide sobre la película, el bromuro de plata se descompone. Conduce a la aparición de partículas metálicas de plata formadas por varias decenas o cientos de átomos. Desde la antigüedad se sabe que el agua en contacto con la plata puede matar bacterias patógenas. El poder curativo de esta agua se explica por el contenido de pequeñas partículas de plata: ¡son nanopartículas! Debido a su pequeño tamaño, estas partículas difieren en propiedades tanto de los átomos individuales como del material a granel que consta de muchos miles de millones de átomos, como un lingote de plata.

Se sabe que muchas propiedades físicas de una sustancia, como su color, conductividad térmica y eléctrica y punto de fusión, dependen del tamaño de las partículas. Por ejemplo, la temperatura de fusión de las nanopartículas de oro de 5 nm de tamaño es 250° más baja que la del oro ordinario (Fig. 4). A medida que aumenta el tamaño de las nanopartículas de oro, la temperatura de fusión aumenta y alcanza un valor de 1337 K, característico de un material convencional (que también se denomina fase masiva o macrofase).

El vidrio adquiere color si contiene partículas cuyo tamaño sea comparable a la longitud de onda de la luz visible, es decir, son de tamaño nanométrico. Esto es precisamente lo que explica los colores brillantes de las vidrieras medievales, que contienen nanopartículas de metales o sus óxidos de varios tamaños. Y la conductividad eléctrica de un material está determinada por el camino libre medio: la distancia que recorre un electrón entre dos colisiones con átomos. También se mide en nanómetros. Si el tamaño de una nanopartícula metálica resulta ser menor que esta distancia, entonces se debe esperar que el material desarrolle propiedades eléctricas especiales que no son características del metal común.

Así, los nanoobjetos se caracterizan no sólo por su pequeño tamaño, sino también por las propiedades especiales que presentan al actuar como parte integral del material. Por ejemplo, el color del vidrio "rubí dorado" o de una solución coloidal de oro no es causado por una nanopartícula de oro, sino por su conjunto, es decir, una gran cantidad de partículas ubicadas a cierta distancia entre sí.

Las nanopartículas individuales que contienen no más de 1000 átomos se denominan nanoclusters. Las propiedades de tales partículas difieren significativamente de las propiedades de un cristal, que contiene una gran cantidad de átomos. Esto se debe al papel especial de la superficie. De hecho, las reacciones que involucran sólidos no ocurren en masa, sino en la superficie. Un ejemplo es la interacción del zinc con el ácido clorhídrico. Si miras de cerca, puedes ver que se forman burbujas de hidrógeno en la superficie del zinc y los átomos ubicados en las profundidades no participan en la reacción. Los átomos que se encuentran en la superficie tienen más energía porque tienen menos vecinos en la red cristalina. Una disminución gradual en el tamaño de las partículas conduce a un aumento en el área de superficie total, un aumento en la proporción de átomos en la superficie (Fig. 5) y un aumento en el papel de la energía superficial. Es especialmente grande en nanoclusters, donde la mayoría de los átomos se encuentran en la superficie. Por tanto, no es de extrañar que, por ejemplo, el nanooro sea muchas veces más activo químicamente que el oro convencional. Por ejemplo, las nanopartículas de oro que contienen 55 átomos (diámetro 1,4 nm) depositadas en la superficie del TiO 2 sirven como buenos catalizadores para la oxidación selectiva del estireno con oxígeno atmosférico a benzaldehído ( Naturaleza, 2008):

C6H5 –CH=CH2 + O2 -> C6H5 –CH=O + H2O,

mientras que las partículas con un diámetro superior a 2 nm, y más aún el oro ordinario, no presentan actividad catalítica en absoluto.

El aluminio es estable en el aire y las nanopartículas de aluminio se oxidan instantáneamente con el oxígeno atmosférico y se convierten en óxido de Al 2 O 3. Los estudios han demostrado que las nanopartículas de aluminio con un diámetro de 80 nm en el aire se cubren con una capa de óxido de 3 a 5 nm de espesor. Otro ejemplo: es bien sabido que la plata ordinaria es insoluble en ácidos diluidos (excepto el ácido nítrico). Sin embargo, las nanopartículas de plata muy pequeñas (no más de 5 átomos) se disolverán con la liberación de hidrógeno incluso en ácidos débiles como el ácido acético, para ello basta con crear una acidez de la solución pH = 5 (ver conferencia número 8); , tarea 4).

La dependencia de las propiedades físicas y químicas de las nanopartículas de su tamaño se denomina efecto de tamaño. Este es uno de los efectos más importantes de la nanoquímica. Ya ha encontrado una explicación teórica desde el punto de vista de la ciencia clásica, a saber, la termodinámica química. Por lo tanto, la dependencia de la temperatura de fusión del tamaño se explica por el hecho de que los átomos dentro de las nanopartículas experimentan una presión superficial adicional, lo que cambia su energía de Gibbs (ver conferencia número 8, tarea 5). Al analizar la dependencia de la energía de Gibbs con la presión y la temperatura, se puede derivar fácilmente una ecuación que relaciona la temperatura de fusión y el radio de las nanopartículas; se llama ecuación de Gibbs-Thomson:

Dónde t pl ( r) – temperatura de fusión de un nanoobjeto con un radio de nanopartícula r, t pl () – temperatura de fusión del metal ordinario (fase masiva), tv.-zh – tensión superficial entre las fases líquida y sólida, h pl es el calor específico de fusión, TV es la densidad del sólido.

Usando esta ecuación, es posible estimar en qué tamaño las propiedades de la nanofase comienzan a diferir de las propiedades de un material convencional. Como criterio tomamos la diferencia en la temperatura de fusión del 1% (en el caso del oro es de unos 14 °C). En el "Breve Libro de Referencia Química" (autores: V.A. Rabinovich, Z.Ya. Khavin) encontramos para el oro: h pl = 12,55 kJ/mol = 63,71 J/g, tv = 19,3 g/cm3. En la literatura científica, el valor de la tensión superficial se da como sol = 0,55 N/m = 5,5–10–5 J/cm 2. Resolvamos la desigualdad con estos datos:

Esta estimación, aunque bastante aproximada, se correlaciona bien con el valor de 100 nm, que suele utilizarse cuando se habla del tamaño máximo de nanopartículas. Por supuesto, aquí no tuvimos en cuenta la dependencia del calor de fusión de la temperatura y la tensión superficial del tamaño de las partículas, y este último efecto puede ser bastante significativo, como lo demuestran los resultados de la investigación científica.

En las conferencias 7 y 8 se darán muchos otros ejemplos del efecto de tamaño con cálculos y explicaciones cualitativas.

Clasificación de nanoobjetos.

Hay muchas formas diferentes de clasificar los nanoobjetos. Según el más simple de ellos, todos los nanoobjetos se dividen en dos grandes clases: sólidos ("externos") y porosos ("internos") (diagrama).

Esquema

Clasificación de nanoobjetos.
(de una conferencia del Prof. B.V. Romanovsky)

Los objetos sólidos se clasifican por tamaño: 1) estructuras volumétricas tridimensionales (3D), se denominan nanoclusters ( grupo– acumulación, montón); 2) objetos planos bidimensionales (2D): nanopelículas; 3) estructuras lineales unidimensionales (1D): nanofilamentos o nanocables (nanocables); 4) objetos de dimensión cero (0D): nanopuntos o puntos cuánticos. Las estructuras porosas incluyen nanotubos (ver lección 4) y materiales nanoporosos, por ejemplo silicatos amorfos (ver lección número 8, tarea 2).

Por supuesto, esta clasificación, como cualquier otra, no es exhaustiva. No cubre una clase bastante importante de nanopartículas: agregados moleculares obtenidos mediante métodos de química supramolecular. Lo veremos en la próxima conferencia.

Algunas de las estructuras más estudiadas son nanoclusters– Consisten en átomos metálicos o moléculas relativamente simples. Dado que las propiedades de los conglomerados dependen en gran medida de su tamaño (efecto de tamaño), se ha desarrollado para ellos su propia clasificación, por tamaño (tabla).

Mesa

Clasificación de nanoclusters metálicos por tamaño.
(de una conferencia del Prof. B.V. Romanovsky)

Número de átomos en un nanocluster	Diámetro, nm	Fracción de átomos en la superficie, %	Número de capas internas	Tipo de clúster
1	0,24 – 0,34	100	0	–
2	0,45 – 0,60	100	0	–
3 – 12	0,55 – 0,80	100	0	Pequeño
13 – 100	0,8 – 2,0	92 – 63	1 – 3	Promedio
10 2 – 10 4	2 – 10	63 – 15	4 – 18	Grande
10 4 – 10 5	10 – 30	15 – 2	> 18	Gigante
> 10 6	> 30	< 2	mucho	coloidal partícula

Resultó que la forma de los nanoclusters depende en gran medida de su tamaño, especialmente cuando el número de átomos es pequeño. Los resultados de estudios experimentales en combinación con cálculos teóricos mostraron que los nanoclusters de oro que contienen 13 y 14 átomos tienen una estructura plana, en el caso de 16 átomos tienen una estructura tridimensional y en el caso de 20 forman una cara centrada. celda cúbica, que recuerda la estructura del oro ordinario. Parecería que con un mayor aumento en el número de átomos esta estructura debería preservarse. Sin embargo, no lo es. Una partícula que consta de 24 átomos de oro en fase gaseosa tiene una forma alargada inusual (Fig. 6). Utilizando métodos químicos, es posible unir otras moléculas a los grupos desde la superficie, que son capaces de organizarlos en estructuras más complejas. Se encontró que las nanopartículas de oro conectadas a fragmentos de moléculas de poliestireno [–CH 2 –CH(C 6 H 5)–] norte u óxido de polietileno (–CH 2 CH 2 O–) norte, cuando se liberan en el agua, combinan sus fragmentos de poliestireno en agregados cilíndricos que se asemejan a partículas coloidales: micelas, algunas de las cuales alcanzan una longitud de 1000 nm. Los científicos sugieren que estos objetos podrían usarse como fármacos y catalizadores contra el cáncer.

Los polímeros naturales (gelatina o agar-agar) también se utilizan como sustancias que transfieren nanopartículas de oro a una solución. Tratándolos con ácido cloroáurico o su sal, y luego con un agente reductor, se obtienen nanopolvos solubles en agua con formación de soluciones de color rojo brillante que contienen partículas de oro coloidal. (Para obtener más información sobre la estructura y propiedades de los nanoclusters metálicos, consulte la lección número 7, tareas 1 y 4).

Curiosamente, los nanoclusters están presentes incluso en el agua corriente. Son aglomerados de moléculas de agua individuales conectadas entre sí por enlaces de hidrógeno. Se estima que en el vapor de agua saturado a temperatura ambiente y presión atmosférica, por cada 10 millones de moléculas de agua individuales hay 10.000 dímeros (H 2 O) 2, 10 trímeros cíclicos (H 2 O) 3 y un tetrámero (H 2 O) 4. . En el agua líquida también se encontraron partículas de peso molecular mucho mayor, formadas por varias decenas e incluso cientos de moléculas de agua. Algunos de ellos existen en varias modificaciones isoméricas, que se diferencian en la forma y el orden de conexión de las moléculas individuales. Especialmente hay muchos cúmulos en el agua a bajas temperaturas, cerca del punto de fusión. Esta agua se caracteriza por propiedades especiales: tiene una mayor densidad en comparación con el hielo y las plantas la absorben mejor. Este es otro ejemplo del hecho de que las propiedades de una sustancia están determinadas no solo por su composición cualitativa o cuantitativa, es decir, fórmula química, sino también su estructura, incluso a nivel nanométrico.

Entre otros nanoobjetos, los nanotubos han sido los más estudiados. Así se llaman estructuras cilíndricas largas con dimensiones de varios nanómetros. Los nanotubos de carbono fueron descubiertos por primera vez en 1951 por los físicos soviéticos L.V. Radushkevich y V.M. Lukyanovich, pero su publicación, que apareció un año después en una revista científica nacional, pasó desapercibida. El interés por ellos volvió a surgir después del trabajo de investigadores extranjeros en los años 1990. Los nanotubos de carbono son cien veces más resistentes que el acero y muchos de ellos conducen bien el calor y la electricidad. Ya los hemos mencionado al hablar de las hojas de Damasco. Aprenderá más sobre los nanotubos de carbono en la conferencia número 4.

Recientemente, los científicos lograron sintetizar nanotubos de nitruro de boro, así como algunos metales, como el oro (Fig. 7, ver pág. 14). En términos de resistencia, son significativamente inferiores a los de carbono, pero, gracias a su diámetro mucho mayor, pueden incluir incluso moléculas relativamente grandes. Para obtener nanotubos de oro, no es necesario calentar: todas las operaciones se realizan a temperatura ambiente. Se pasa una solución coloidal de oro con un tamaño de partícula de 14 nm a través de una columna llena de óxido de aluminio poroso. En este caso, los cúmulos de oro se quedan atrapados en los poros presentes en la estructura del óxido de aluminio, combinándose entre sí formando nanotubos. Para liberar los nanotubos resultantes del óxido de aluminio, el polvo se trata con ácido: el óxido de aluminio se disuelve y los nanotubos de oro se depositan en el fondo del recipiente, pareciéndose a las algas en la microfotografía.

Un ejemplo de nanoobjetos unidimensionales es nanohilos, o nanocables– así se llaman las nanoestructuras extendidas con una sección transversal inferior a 10 nm. Con este orden de magnitud, el objeto comienza a exhibir propiedades cuánticas especiales. Comparemos un nanoalambre de cobre de 10 cm de largo y 3,6 nm de diámetro con el mismo alambre, pero con un diámetro de 0,5 mm. Las dimensiones de un cable ordinario son muchas veces mayores que las distancias entre los átomos, por lo que los electrones se mueven libremente en todas direcciones. En un nanocable, los electrones pueden moverse libremente solo en una dirección: a lo largo del cable, pero no a través de él, porque su diámetro es sólo varias veces mayor que la distancia entre los átomos. Los físicos afirman que en un nanocable los electrones se localizan en dirección transversal y se deslocalizan en dirección longitudinal.

Se conocen nanocables de metales (níquel, oro, cobre) y semiconductores (silicio), dieléctricos (óxido de silicio). Mediante la interacción lenta del vapor de silicio con el oxígeno en condiciones especiales, es posible obtener nanocables de óxido de silicio, de los que cuelgan como ramas formaciones esféricas de sílice que recuerdan a las cerezas. El tamaño de dicha "baya" es de sólo 20 micrones (μm). Un poco aparte se encuentran los nanocables moleculares, un ejemplo de ello es la molécula de ADN, guardiana de la información hereditaria. Una pequeña cantidad de nanocables moleculares inorgánicos son sulfuros o seleniuros de molibdeno. En la figura 2 se muestra un fragmento de la estructura de uno de estos compuestos. 8. Por disponibilidad d-electrones en átomos de molibdeno y superposición de parcialmente llenos d-orbitales, esta sustancia conduce corriente eléctrica.

La investigación sobre nanocables todavía está en curso a nivel de laboratorio. Sin embargo, ya está claro que tendrán demanda a la hora de crear nuevas generaciones de ordenadores. Los nanocables semiconductores, al igual que los semiconductores convencionales, pueden doparse** según R- o norte-tipo. Ya se han utilizado nanocables para crear–pag norte-

transiciones con un tamaño inusualmente pequeño. Así se van sentando poco a poco las bases para el desarrollo de la nanoelectrónica.

La alta resistencia de las nanofibras permite reforzar con ellas diversos materiales, incluidos polímeros, para aumentar su rigidez. Y la sustitución del tradicional ánodo de carbono de las baterías de iones de litio por un ánodo de acero recubierto de nanofilamentos de silicio ha permitido aumentar en un orden de magnitud la capacidad de esta fuente de corriente. Un ejemplo de nanoobjetos bidimensionales es nanopelículas

. Debido a su espesor muy reducido (sólo una o dos moléculas), transmiten luz y son invisibles a la vista. Los nanorrecubrimientos poliméricos hechos de poliestireno y otros polímeros protegen de manera confiable muchos objetos utilizados en la vida cotidiana: pantallas de computadora, ventanas de teléfonos celulares, lentes de gafas. Los nanocristales semiconductores individuales (por ejemplo, sulfuro de zinc ZnS o seleniuro de cadmio CdSe) de hasta 10 a 50 nm de tamaño se denominan puntos cuánticos

El mundo de las nanoestructuras ya creado por los científicos es muy rico y diverso. En él puedes encontrar análogos de casi todos los macroobjetos de nuestro mundo cotidiano. Tiene su propia flora y fauna, sus propios paisajes lunares y laberintos, caos y orden. En el sitio web www.nanometer.ru está disponible una gran colección de diversas imágenes de nanoestructuras. ¿Tiene todo esto aplicación práctica? Claro que no. La nanociencia es todavía muy joven: ¡sólo tiene unos 20 años! Y como cualquier organismo joven, se desarrolla muy rápidamente y apenas comienza a ser útil. Hasta ahora, sólo una pequeña parte de los logros de la nanociencia se ha llevado al nivel de la nanotecnología, pero el porcentaje de implementación crece todo el tiempo, y en unas pocas décadas nuestros descendientes se quedarán perplejos: ¡cómo podríamos existir sin la nanotecnología!

Preguntas

1. ¿Qué se llama nanociencia? ¿Nanotecnología?

2. Comente la frase “toda sustancia tiene un nanonivel”.

3. Describir el lugar de la nanoquímica en la nanociencia.

4. Utilizando la información proporcionada en el texto de la conferencia, estime el número de átomos de oro en 1 m 3 y en 1 nm 3.

Respuesta. 5,9 10 28 ; 59.

5. Uno de los fundadores de la nanociencia, el físico estadounidense R. Feynman, hablando sobre la posibilidad teórica de manipular mecánicamente átomos individuales, allá por 1959, pronunció una frase que se hizo famosa: "Hay mucho espacio ahí abajo". (“Hay mucho espacio abajo”). ¿Cómo entiendes la afirmación del científico?

6. ¿Cuál es la diferencia entre métodos físicos y químicos para producir nanopartículas?

7. Explique el significado de los términos: “nanopartícula”, “clúster”, “nanotubo”, “nanoalambre”, “nanopelícula”, “nanopolvo”, “punto cuántico”.

8. Explique el significado del concepto “efecto tamaño”. ¿En qué propiedades se manifiesta?

9. El nanopolvo de cobre, a diferencia del alambre de cobre, se disuelve rápidamente en ácido yodhídrico. ¿Cómo explicar esto?

10. ¿Por qué el color de las soluciones coloidales de oro que contienen nanopartículas difiere del color del metal ordinario?

11. Una nanopartícula de oro esférica tiene un radio de 1,5 nm, el radio de un átomo de oro es de 0,15 nm. Calcule cuántos átomos de oro contiene la nanopartícula.

Respuesta. 1000.

12. ¿A qué tipo de cúmulo pertenece la partícula Au 55?

13. ¿Qué otros productos, además del benzaldehído, se pueden formar durante la oxidación del estireno con el oxígeno atmosférico?

14. ¿Cuáles son las similitudes y diferencias entre el agua obtenida al derretir hielo y el agua formada por condensación de vapor?

15. Dé ejemplos de nanoobjetos de dimensión 3; 2; 1; 0.

Literatura

Nanotecnología. ABC para todos. Ed. académico. Yu.D. M.: Fizmatlit, 2008; Sergeyev G.B. Nanoquímica. M.: Universidad de la Casa del Libro, 2006; Ratner M., Ratner D. Nanotecnología. Una explicación sencilla de otra idea brillante. M.: Williams, 2007; Rybalkina M. Nanotecnología para todos. M., 2005; Menshutina N.V.. Introducción a la nanotecnología. Kaluga: Editorial de literatura científica Bochkareva N.F., 2006; Lalayants I.E. Nanoquímica. Química (Editorial Pervoe de septiembre), 2002, núm. 46, p. 1; Rakov E.G. Química y nanotecnología: dos puntos de vista. Química (Editorial Pervoe de septiembre), 2004, núm. 36, pág. 29.

recursos de Internet

www.nanometer.ru – sitio de información dedicado a la nanotecnología;

www.nauka.name – portal de divulgación científica;

www.nanojournal.ru – “Nanojournal” electrónico ruso.

* Adoptado oficialmente por la corporación estatal rusa Rusnanotech.

**El dopaje es la introducción de pequeñas cantidades de impurezas que cambian la estructura electrónica del material. – Nota ed.

¿Cuándo apareció la “nanociencia” como campo del conocimiento teórico? ¿Existen nanoestructuras orgánicas, no sintetizadas, sino creadas por la naturaleza? ¿Cómo se pueden utilizar los modelos matemáticos que describen nanoestructuras para influir en una célula viva? ¿Cuáles son los “números mágicos” de las nanoestructuras? Los químicos Igor Melikhov y Viktor Bozhevolnov hablan sobre dónde está la frontera entre el mundo físico y el nanomundo.

Participantes:

Igor Vladimirovich Melikhov- Miembro correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia, Profesor de la Facultad de Química de la Universidad Estatal de Moscú. Lomonósov

Viktor Evgenievich Bozhevolnov- Candidato de Ciencias Químicas, investigador de la Facultad de Química de la Universidad Estatal de Moscú. Lomonósov

Descripción general del tema

Los nanosistemas suelen entenderse como un conjunto de cuerpos rodeados por un medio gaseoso o líquido, cuyo tamaño se mantiene en el rango de 0,1 a 100 nm. La palabra en sí se deriva del griego. nanos- "enano". Estos cuerpos pueden ser grupos y moléculas poliatómicas, nanogotitas y nanocristales. Se trata de formas intermedias entre los átomos y los cuerpos macroscópicos, lo que hace que el estudio de los nanosistemas sea importante.

La peculiaridad de los nanocuerpos, es decir, los cuerpos ultrapequeños, es que su tamaño es proporcional al radio de acción de las fuerzas de interacción interatómica, es decir, a la distancia a la que deben alejarse los átomos del cuerpo para que su interacción no afecta de forma apreciable sus propiedades. Debido a esta característica, los nanocuerpos interactúan entre sí y con el medio ambiente de manera diferente a los macrocuerpos. La especificidad de la interacción es tan grande que se ha formado una dirección especial de investigación científica para el estudio de los nanosistemas, que puede denominarse química física de los nanosistemas o, para abreviar, nanoquímica.

Es importante que la masa de las nanopartículas sea lo suficientemente pequeña como para que cada partícula participe en el movimiento térmico como un todo. Esta última circunstancia une todas sus variedades y es de fundamental importancia, ya que brinda la posibilidad de autoensamblaje de nanopartículas en las nanoestructuras correspondientes mediante la búsqueda mediante prueba y error y, en última instancia, encontrando óptimos termodinámicos.

Los límites del nanointervalo en química son arbitrarios. Las propiedades de un cuerpo son sensibles en mayor o menor medida a su tamaño. Algunas de las propiedades pierden su especificidad en tamaños superiores a 10 nm, otras, superiores a 100 nm. Por lo tanto, para excluir menos propiedades de la consideración, el límite superior del nanointervalo debe tomarse igual a 100 nm. Por tanto, los límites de las propias nanosustancias se están ampliando y se está abriendo un campo más amplio para la investigación y mayores generalizaciones.

Las nanoestructuras existen naturalmente en la naturaleza, y lo que aquí es principalmente interesante son los ejemplos de la formación de nanosustancias en cuerpos proteicos. Las reacciones biológicas más importantes que ocurren en una célula viva ocurren en nanoestructuras de proteínas. Un ejemplo es el complejo pigmento-proteína del centro de reacción de la fotosíntesis, en el que seis moléculas de naturaleza clorofila están incrustadas en una matriz proteica con una precisión repetible de hasta décimas de angstrom. Estos pigmentos llevan a cabo el proceso de convertir la energía solar en energía de carga separada con una eficiencia cuántica del 100% debido a la transferencia de electrones extremadamente rápida entre pigmentos. Tal eficiencia no se conoce ni siquiera en física. El tiempo de transferencia de electrones entre pigmentos se determina experimentalmente, lo que da un valor inferior a 20 femtosegundos. También se determina experimentalmente el movimiento del subsistema nuclear con las frecuencias correspondientes, que crea la configuración nuclear necesaria para la transferencia de electrones y la estabilización de cargas separadas. La combinación de estos datos con el análisis de difracción de rayos X permite establecer los mecanismos moleculares y las vías de transferencia de electrones entre pigmentos en dicha nanoestructura.

Otro ejemplo de nanoestructuras que surgen de forma natural en la naturaleza proviene del campo de la mineralogía. Así, el estudio de muestras de suelo lunar, que durante unos 4.500 millones de años estuvo sometido al bombardeo de protones del viento solar, mostró una serie de procesos, normalmente irreversibles, que tuvieron lugar en él. Allí, los óxidos que suelen componer todas las rocas se redujeron a profundidades inversamente proporcionales a la energía del enlace metal-oxígeno. Cuanto más fácilmente se rompía este vínculo, mayor era la profundidad a la que el regolito experimentaba procesos de reducción, a veces hasta un estado de valencia cero. A la profundidad máxima, se redujo el hierro, a menor profundidad, cromo, e incluso más cerca de la superficie, silicio, manganeso, magnesio, etc., los 12 elementos principales formadores de rocas. Pero también ocurrió otro hecho significativo: el proceso de amorfización de los cristales tuvo lugar en la superficie, es decir, simplemente fueron destruidos y, como lo demostraron los estudios realizados en el Instituto de Yacimientos Minerales, fueron destruidos hasta el nanoestado.

Las nanoestructuras biológicas se pueden aislar, purificar, cristalizar y estudiar utilizando todo el arsenal de métodos físicos y químicos, incluida la espectroscopia de RMN, ESR, óptica, ultravioleta e infrarroja con la resolución temporal más alta: aproximadamente 15 femtosegundos. Los estudios experimentales de estas nanoestructuras van acompañados de cálculos físicos cuánticos de dinámica molecular e interacciones de electrones. Y al mismo tiempo, todo lo que se sepa sobre las nanoestructuras biológicas y su estructura podrá utilizarse en la síntesis de los modelos químicos necesarios para la nanotecnología.

Al mismo tiempo, para evitar generalizaciones excesivas, debemos recordar que existe una diferencia fundamental entre la condensación de nanopartículas de origen biológico en superestructuras biológicas y la formación de nanoagregados moleculares atómicos o ordinarios. La forma, la estructura química y la topografía de la superficie de los nanobloques biológicos (proteínas, ácidos nucleicos), por regla general, determinan de manera muy estricta el tamaño y la forma de las superestructuras biológicas resultantes del autoensamblaje, especialmente si ocurre, por así decirlo, en vivo. En el mundo inorgánico estos factores determinantes son mucho menos pronunciados. Aquí pueden producirse fluctuaciones importantes y distribuciones de tamaño muy amplias.

La química física de los nanosistemas se desarrolló al mismo tiempo como parte de la física y la química. Ahora bien, este es un campo de la ciencia relativamente joven que se está desarrollando muy rápidamente. Una característica cuantitativa de su progreso puede ser la tasa de aumento del número de publicaciones en la literatura científica. Dado que a menudo es imposible decidir en qué medida una publicación se relaciona específicamente con la nanoescala y con la química general o específicamente con la nanoquímica, es difícil determinar exactamente su número, pero se pueden hacer estimaciones. Como se desprende de los datos preliminares, la fisicoquímica de los nanosistemas se desarrolló sin grandes avances, y el número total de publicaciones a finales del siglo pasado alcanzó entre 2,5 y 3 millones, y las principales publicaciones mundiales, naturalmente, se remontan a los años 90. . En la primera mitad del siglo, la contribución más significativa a la nanoquímica la hicieron los especialistas que estudiaron coloides y aerosoles, y en la segunda mitad, polímeros, proteínas, compuestos naturales, fullerenos y tubulenos.

En lo que respecta a la nanofísica, existen dos áreas diferenciadas en ella. Uno implica la creación de polvos a partir de nanopartículas o policristales con cristalitos de tamaño nanométrico. Otra área está asociada con la palabra "mesoscópico", algo entre "micro" y "macro". En este caso, estamos hablando de las propiedades de partículas individuales de tamaño nanométrico. A veces se les llama átomos artificiales porque, al igual que los átomos, tienen un espectro de emisión discreto.

Podemos decir que hubo un verdadero auge en la física cuando aprendieron a fabricar tales partículas a partir de metales, conductores, semiconductores, superconductores y, lo más importante, aprendieron a incluir dicha partícula en un circuito eléctrico, es decir, a pasar corriente únicamente. a traves de. Este fenómeno, al igual que el fenómeno del bloqueo de Coulomb, fue predicho teóricamente en el Instituto de Física y Tecnología de Bajas Temperaturas de Jarkov, y luego este fenómeno fue descubierto experimentalmente en la Universidad Estatal de Moscú. M. V. Lomonósov. Se demostró que si incluso un electrón entra en una nanopartícula metálica, debido a la baja capacitancia, la energía de Coulomb correspondiente excederá significativamente la temperatura. Como resultado, se produce un "bloqueo" de la corriente eléctrica.

Ahora, basándose en el llamado "bloqueo" de Coulomb, ya se ha creado un transistor de un solo electrón. Esta es la miniaturización definitiva, ya que funciona con un (!) electrón. Este transistor ha estado funcionando durante varios años y se ha utilizado con éxito como dispositivo de medición en física. Asociado a esto hay un progreso gigantesco en la sensibilidad. El uso de nanopartículas de superconductores permite producir los llamados qubits (bits de información cuántica), que se convertirán en el elemento principal de las computadoras cuánticas.

Por lo tanto, es obvio que la nanotecnología se está extendiendo inusualmente ampliamente en diversas áreas de las ciencias naturales. Aquí podemos resaltar varias direcciones principales, pero esta selección será bastante arbitraria, ya que estas áreas a menudo se cruzan entre sí y, lo más importante, se basan en técnicas similares. Entre las principales áreas de investigación se encuentran:

Síntesis de fullerenos y estructuras similares a fullerenos. Estudio de la superconductividad de metales a alta temperatura.

Movilidad atómica de los cúmulos (en primer lugar, se estudian los puntos de fusión y congelación de los cúmulos, que son inferiores a los de los sólidos, se estudian los estados sólido-líquido específicos de los cúmulos, etc.).

Reacciones de nanoclusters (se estudian principalmente la pulverización catódica de clusters y las características de las reacciones fotoquímicas de clusters).

Estudio de puntos cuánticos (se estudian clusters de semiconductores, sus propiedades ópticas, LED con longitud de onda de emisión ajustable).

Estudiar propiedades magnéticas, medir cambios en el momento magnético por átomo durante la transición del magnetismo colectivo de un cuerpo sólido a la estructura de capa de un cúmulo.

Actualmente, la química física de los nanosistemas se ha acercado a una nueva etapa de desarrollo, que puede denominarse etapa de visualización de átomos y nanopartículas con observación de su interacción. en el lugar. Se desarrollaron métodos de microscopía de campo iónico, electrónica, de fuerza atómica y de túnel, que permitieron observar el comportamiento de un átomo individual y el estado de un nanocuerpo individual. La sensibilidad de los métodos espectrales se ha llevado ahora a un nivel en el que es posible medir la fluorescencia y la luminiscencia de una molécula individual y juzgar la estructura de moléculas que constan de 50 átomos o más a partir de espectros infrarrojos. Las observaciones de átomos y nanocuerpos individuales están ahora disponibles para una amplia gama de investigadores. Aunque ahora se cree que obtener una imagen fiable de un solo átomo o molécula es un gran logro científico, ha dejado de ser único. Por ejemplo, en 2000, un informe de la revista Nature (trabajo de T. Fishlock et al.) afirmaba que era posible observar átomos de bromo individuales en la superficie de un monocristal de cobre y, utilizando nanomanipuladores especiales, mover uno de los átomos, casi sin mover a los demás, se percibió como una sensación científica. Las publicaciones de 2002 sobre la visualización y el movimiento de moléculas de ADN mediante nanomanipuladores se consideran un evento importante, pero común y corriente. Al parecer, la nanoquímica se enfrenta a la posibilidad de "ensamblar" nanocuerpos a partir de átomos mediante nanomanipuladores e identificar cómo cambian las propiedades de los nanocuerpos inmediatamente en el momento del desprendimiento de un átomo o de su unión, visualizando las etapas intermedias del proceso.

Ahora la química física de los nanosistemas tiene todos los signos de una rama independiente de la ciencia: su propia gama de objetos de investigación, teoría, experimentos (metodología de búsqueda) y el ámbito de aplicación de los resultados.

Un área bastante práctica puede considerarse una rama especial de la química física de los nanosistemas: la creación de películas nanométricas organizadas, principalmente las llamadas películas monocapa (!) de Langmuir-Blodgett. Estas películas se obtienen para crear sistemas con tunelización controlada y, para ello, se utilizan complejos moleculares como base para películas de un solo electrón. Se está trabajando para crear nanocapas de Langmuir-Blodgett que contengan ácidos nucleicos, lo que resulta de particular interés para crear un sistema de prueba para la inmovilización del ADN. Es decir, hablando breve y detalladamente, la nanoquímica en su campo orgánico es el primer paso, la base para modelar y programar cuerpos proteicos.

Objetos de la investigación en nanoquímica.- sustancias ultrafinas obtenidas por condensación de vapor y precipitación de soluciones; aerosoles y soluciones coloidales, sustancias naturales formadas por moléculas poliatómicas; productos de polimerización, molienda fina de sólidos o atomización intensiva de líquidos; sólidos en bloque, en los que los límites de los bloques son tan pronunciados que los bloques mismos pueden considerarse cuasipartículas; arcillas y suspensiones marinas; sedimentos del fondo, etc.

Teoría de nanosistemas desarrolla métodos para calcular el comportamiento de nanocuerpos basados ​​en "primeros principios". La base de la consideración es la ecuación evolutiva para la función φ (X i, t) de la distribución de nanocuerpos (nanopartículas) según los parámetros Xi, su estado, que incluye indicadores tales como la tasa de evolución del nanosistema, el conjunto de tasas de cambio direccional y coeficientes de fluctuación de los parámetros de estado X i en el momento t. En este caso, el conjunto de parámetros de estado Xi incluye coordenadas espaciales y velocidades, masa, características de composición, forma y estructura de cada nanopartícula, utilizando principios de conservación.

Las tasas de cambios direccionales en los parámetros de estado y los coeficientes de fluctuación se presentan como una función de los parámetros de estado ξ i del entorno alrededor de las nanopartículas. En relación con las coordenadas espaciales y las velocidades de movimiento de las nanopartículas, estas funciones se representan como las leyes del movimiento en la mecánica clásica. En relación con las características de masa y forma, estas funciones se expresan a través de las frecuencias de unión y desprendimiento de átomos de las nanopartículas. Las frecuencias generalmente se calculan bajo el supuesto de que los átomos se mueven de acuerdo con las reglas de la mecánica clásica con un cierto potencial de interacciones interatómicas. Al calcular la composición y estructura de las nanopartículas, se supone que los núcleos de los átomos de las nanopartículas se mueven de acuerdo con las leyes de la mecánica clásica (con correcciones de la mecánica cuántica) en el medio electrón-nuclear descrito por la ecuación de Schrödinger. Esta suposición abre la posibilidad de identificar la conexión entre el potencial de las interacciones interatómicas y las características electrón-nucleares de los átomos y la posterior transición al cálculo de la tasa de evolución a partir de los "primeros principios". Tal cálculo aún está lejos, pero la teoría de los nanosistemas se está desarrollando rápidamente.

Experimento identificó cientos de patrones en el comportamiento de los nanosistemas. Destacamos dos de ellos, los más habituales a nuestro juicio.

1. La mayoría de los nanosistemas naturales y artificiales están lejos del equilibrio y su estado cambia continuamente a medida que avanzan hacia el equilibrio.

Los nanosistemas se forman mediante dos rutas: condensación y dispersión. En el primer caso, los cuerpos de partida se evaporan o disuelven, después de lo cual los vapores resultantes se condensan y se precipita una sustancia ultrafina de la solución. En el segundo caso, a los cuerpos iniciales se les suministra energía mecánica en cantidad suficiente para su desintegración en nanopartículas. La implementación de ambas rutas requiere una intensa entrada de energía en el sistema original, de modo que inmediatamente después de la aparición de las nanopartículas, el sistema se encuentra fuera del equilibrio. Tan pronto como se detiene el flujo de energía, el sistema evoluciona hacia el equilibrio.

El ejemplo más simple de la evolución de un sistema es la vía de transformación por condensación de un monocristal formado por átomos idénticos y situado en un volumen cerrado de su vapor saturado. Si un monocristal de este tipo se calienta hasta el punto de fusión y posterior evaporación de la masa fundida, y luego el vapor resultante se enfría bruscamente a la temperatura inicial del sistema, a medida que se enfría, las nanopartículas se nuclean y se vuelven más grandes en el sistema. Se combinan en agregados que están ordenados. Los límites entre las nanopartículas en los agregados desaparecen y se convierten en microcristales. Cuando los microcristales se mantienen en vapor durante mucho tiempo, los más pequeños y defectuosos se evaporan, mientras que los más grandes y perfectos siguen creciendo. Y así sucesivamente hasta recrear el monocristal original en el sistema. Durante todo el intervalo de tiempo desde el momento en que ya se ha acumulado una cantidad notable de nanopartículas en el vapor hasta el momento en que la mayoría de las nanopartículas alcanzan un tamaño de 100 nm, el sistema se encuentra en el nanoestado. Entonces inevitablemente entra en equilibrio, se detiene la aparición de nanopartículas y, además, las partículas resultantes también pueden entrar en fase de descomposición, si no se crean las condiciones artificiales para su conservación.

Durante la ruta dispersiva de transformaciones de un monocristal en condiciones de un flujo suficiente y constante de energía mecánica, el tamaño de los fragmentos en los que se desintegra el monocristal disminuye hasta que los procesos que conducen a la destrucción de los fragmentos se compensan con su agregación y fusión. .

Si el influjo de energía mecánica es tan grande que con dicha compensación la mayoría de los fragmentos tienen un tamaño nanométrico, entonces el sistema permanece en un nanoestado estacionario hasta que el influjo de energía disminuye. Cuando la afluencia se detenga, los fragmentos comenzarán a crecer juntos y a hacerse más grandes. Esto continúa hasta que se recrea el monocristal original en el sistema. Las rutas de evolución de los sistemas por condensación y espergación resultan más complejas si se producen reacciones químicas en el sistema.

2. El segundo patrón de existencia y aparición de los nanosistemas, revelado en una serie de experimentos, se puede formular brevemente, aunque se trata de un descubrimiento muy importante: los nanosistemas son variables. Esto significa que los nanocuerpos presentes simultáneamente en el sistema tienen diferentes propiedades, y la "dispersión" de propiedades es grande y determina en gran medida el comportamiento del sistema.

Las nanopartículas tienen tamaños, formas y velocidades de movimiento espacial desiguales, lo que se manifiesta, por ejemplo, en el movimiento browniano. La composición química de las nanopartículas también es variable debido a la sorción de diferentes cantidades de moléculas del medio. La principal causa de la variabilidad es el movimiento térmico, pero las fluctuaciones térmicas están sincronizadas debido a la interacción cooperativa de los átomos. El grado de sincronización aumenta con el suministro dirigido de sustancias y energía al sistema. Si el sistema no está en equilibrio, entonces cada propiedad de las nanopartículas cambia como el movimiento de un cuerpo en un flujo de fluido: es arrastrado por el flujo durante paseos aleatorios a lo largo de la trayectoria del movimiento dirigido. En este caso, la velocidad del cambio de dirección de cada propiedad se caracteriza por el valor G i , y la intensidad del desvío - por el valor D i . En relación al movimiento espacial de las nanopartículas, el valor Gi corresponde a la velocidad de deriva del medio, y el valor Di corresponde al coeficiente de difusión browniano. En relación con la masa de las nanopartículas, el valor de Gi está cerca de la tasa promedio de su aumento, y el valor de Di caracteriza las fluctuaciones en las frecuencias de unión de las moléculas del medio a las nanopartículas. No hay muchos datos sobre los valores de G i y Di, pero la información disponible indica que los valores de Di son bastante grandes.

La frecuencia de unión de átomos (moléculas) del medio a una nanopartícula con una estructura ordenada depende de forma no monótona del número de sus átomos constituyentes. Disminuye drásticamente cuando el número de átomos de una partícula se vuelve igual a uno de los "números mágicos", cuyo conjunto está determinado por la estructura de la partícula. Para los grupos con una disposición icosaédrica de átomos, los "números mágicos" corresponden al número de átomos en sucesivas esferas de coordinación alrededor del átomo central. En los nanocristales facetados, la probabilidad de que un átomo se una se reduce significativamente si el número de átomos que se unieron anteriormente resulta ser suficiente para formar una monocapa en sus caras; además, durante los períodos de crecimiento del cúmulo, la probabilidad de que se unan nuevos átomos al nanocristal; es alto, y en los períodos entre la formación de capas es pequeño, por lo tanto “los números mágicos n i corresponden al número de átomos en el nanocristal en los momentos ti de nucleación de grupos bidimensionales. Moléculas peptídicas formadas en una matriz de ADN. la frecuencia de adición de nuevos aminoácidos se vuelve cero después de que el número de átomos y moléculas del péptido deja de cumplir con los requisitos del ADN.

Estos patrones hacen que el estudio de los nanosistemas sea una tarea extremadamente intensiva en conocimientos. La variabilidad de los nanosistemas obliga a medir los parámetros de estado de un conjunto de nanopartículas, y su naturaleza evolutiva hace necesario monitorear los cambios en las propiedades de este conjunto a lo largo del tiempo. En este caso, es necesario determinar la función multidimensional φ (X i, t) en una amplia gama de propiedades del medio. No es sorprendente que casi todos los nanosistemas se hayan estudiado en fragmentos, y los fragmentos no se combinan para obtener una imagen completa de su comportamiento. Sin embargo, se han resuelto miles de problemas aplicados en el marco de la nanoquímica.

Química física aplicada de nanosistemas. incluye:

Desarrollo de fundamentos teóricos para el uso de nanosistemas en ingeniería y nanotecnología, métodos para predecir la evolución de nanosistemas específicos bajo las condiciones de su uso, así como la búsqueda de métodos óptimos de operación;

Creación de modelos teóricos del comportamiento de nanosistemas durante la síntesis de nanomateriales y búsqueda de condiciones óptimas para su producción;

Estudio de nanosistemas biológicos y creación de métodos para utilizar nanosistemas con fines medicinales;

Desarrollo de modelos teóricos de formación y migración de nanopartículas en el medio ambiente y métodos de purificación de aguas naturales o aire a partir de nanopartículas.

De las áreas enumeradas de la nanoquímica aplicada, la segunda es la más desarrollada ahora, lo que parece natural, ya que en esta área los intereses puramente científicos y los problemas puramente teóricos caen en el área de los intereses puramente prácticos e incluso económicos. Aunque todavía es pronto para decir que todo lo que se podía hacer a estas alturas del desarrollo científico se ha hecho en este ámbito. Un ejemplo es el campo de la metalurgia, donde actualmente se trabaja en la síntesis de nuevos nanomateriales y el desarrollo de nuevas nanotecnologías. La eficiencia de la creación y utilización de nanomateriales es obvia. Por tanto, la resistencia de un metal con una nanoestructura es entre 1,5 y 2 veces, y en algunos casos 3 veces, mayor que la resistencia del metal convencional. Su dureza es entre 50 y 70 veces mayor y su resistencia a la corrosión es entre 10 y 12 veces mayor. Se sabe que la estructura de un metal afecta en gran medida a sus propiedades: cuanto más fino es el tamaño de grano, mayor es la superficie de interacción entre los componentes de fase de la estructura, lo que es la base para mejorar sus propiedades. El tamaño medio de grano de un metal hoy en día es de 5 a 7 micrones; en la práctica, normalmente aún no se ha alcanzado el tamaño nanométrico. Para obtener metales con nanoestructuras se necesitan métodos tecnológicos especiales que ahora se están desarrollando activamente, pero que aún son demasiado complejos para su uso en una producción amplia. Estas tecnologías se mueven en dos direcciones principales. El primero es la creación de los llamados nanopolvos, a partir de los cuales se produce el nanomaterial deseado. Otro método para moler la estructura inicial se puede llamar deformación: debido a la deformación profunda repetida del metal, se logra el nivel adecuado de estructura y, en consecuencia, propiedades.

Estas tecnologías se están desarrollando ampliamente en Estados Unidos y Japón, y en parte en China y Corea, por lo que es en estos países donde la ciencia probablemente ha logrado la solución más óptima a algunas cuestiones y problemas. En nuestro país hasta ahora sólo se ha dado el primer paso en esta dirección: se ha creado el Consejo Científico de la Academia de Ciencias de Rusia sobre nanomateriales. Pero hasta ahora se ha hecho poco y lamentamos observar que Rusia aún no se encuentra entre las dos docenas de países que desarrollan activamente nanotecnologías.

Cuando se menciona la frase "nanoestructuras", nos referimos en primer lugar a nuevos tipos de metales y cristales, cuya creación abre el camino a una nueva "nanoelectrónica" basada en una de las propiedades más sorprendentes de los nanocristales: su naturaleza libre de defectos. Sin embargo, la nanoquímica pertenece ahora a otra área de la ciencia, más cercana a la biología. En la práctica, esta dirección se utiliza en el desarrollo de tecnologías terapéuticas completamente nuevas.

Como ejemplo de desarrollos en la tercera dirección, podemos presentar la idea de crear nanosistemas anticancerígenos directamente en el tejido tumoral. Experimentos de laboratorio han demostrado que si se introducen reactivos en un cuerpo polimérico, durante cuya interacción se forman nanopartículas de goetita o hidroxiapatita. luego se puede organizar la introducción de reactivos de modo que las nanopartículas formadas en el volumen del cuerpo casi no tengan ningún efecto sobre la estructura del polímero. Pero si, después de la formación de nanopartículas, se aplica un campo acústico al cuerpo, éste se calentará hasta 43 °C en un tiempo durante el cual un cuerpo sin nanopartículas difícilmente cambiará de temperatura. Esto sugirió que si encontramos sustancias cuyas nanopartículas puedan formarse en las células cancerosas con una probabilidad mucho mayor que en el tejido sano, entonces las células cancerosas pueden calentarse y "matarse" selectivamente. Y se encontraron tales sustancias. Se obtuvieron resultados interesantes sobre el efecto de uno de ellos (teroftal) en el desarrollo del cáncer en ratones. Resultó evidente que las nanopartículas de teroftal por sí mismas no afectan el desarrollo del tumor y que el campo acústico sólo ralentiza ligeramente su crecimiento. Pero si el campo se aplica después de la formación de nanopartículas de teroftal. y en tan sólo 10 minutos, el volumen del tumor disminuye un 80% en una semana. Estos hechos resaltan la promesa de estudiar la evolución de los nanosistemas en entornos biológicos.

El nanomundo vive según las mismas leyes, sin importar qué área de su existencia tomemos. Por tanto, los nanosistemas en química resultan estar cerca de las nanoestructuras biológicas. Los principales complejos biológicos y moleculares y enzimas tienen tamaños del orden de 5 a 50 nm, lo que también es típico de los nanosistemas químicos. Sin embargo, a diferencia de la química y la geología, la biología conoce estructuras de nanocomplejos altamente organizadas que determinan el paso con alta eficiencia de muchos cientos de procesos biológicos en una célula viva. Las nanoestructuras biológicas contienen portadores de proteínas (los ribosomas también contienen moléculas de ARN) con una estructura secundaria, terciaria y cuaternaria característica. Dependiendo de sus funciones, en estas estructuras se incrustan diversos cofactores incluidos en los centros activos. La posición de todos los átomos en estos nanosistemas es tan reproducible que para sus cristales tridimensionales, el análisis de difracción de rayos X demuestra la posición de cada átomo (y puede haber 10 mil o más) con una precisión de décimas de angstrom. .

Los nuevos métodos de investigación, que permitieron visualizar tanto las nanopartículas como sus interacciones entre sí, hicieron de la química física de los nanosistemas una ciencia de moda. Pero su atractivo no está asociado a circunstancias aleatorias, sino que está predeterminado por la lógica del desarrollo de la ciencia. Esta lógica conduce inevitablemente al hecho de que la investigación sobre nanosistemas se vuelve extremadamente costosa y requiere muchos conocimientos. Muchos países han lanzado programas nacionales especiales, proporcionándoles la financiación adecuada.

Hoy en día, la química física de los nanosistemas es un campo de la ciencia que se desarrolla armoniosamente, en el que la teoría y la experimentación se combinan con el flujo sistemático de información científica hacia las áreas aplicadas. De hecho, en la actualidad, el desarrollo de la nanotecnología y el desarrollo de métodos para crear y estudiar nanosustancias puede considerarse una de las áreas científicas más importantes del siglo XXI. Como dijo el famoso físico Feynman hace 30 años, la penetración en el nanomundo es un camino interminable para el hombre, en el que prácticamente no está limitado por los materiales, sino que sigue únicamente su propia mente. De hecho, en la actualidad, los descubrimientos sobre la nanomateria y sus propiedades se están produciendo en una variedad de campos: química, física y biología. Por ejemplo, se ha establecido experimentalmente que cuando el agua se purifica mediante descargas eléctricas, adquiere propiedades bactericidas. Su naturaleza no estaba clara, ya que la composición química del agua no cambió. Pero luego se descubrió que, como resultado de la erosión de los electrodos, quedan nanopartículas en el agua, lo que afecta en gran medida sus propiedades.

Pero el descubrimiento del nanomundo es sin duda más importante para un campo como la microelectrónica. Actualmente, en particular, se está trabajando para crear nanoestructuras utilizando haces de iones. Con una cantidad suficiente de energía y proporcionando al metal protones libres, se pueden obtener estructuras de tamaño del orden de decenas de nanómetros. A tal escala, el dieléctrico se transforma en metal y la cristalización se produce muy rápidamente. Luego se crean nanoestructuras multicapa que constituirán la base de los circuitos electrónicos del futuro. Y si los discos magnéticos ahora contienen cientos de gigabytes de información, con el uso de las nuevas tecnologías se podrá medir la información contenida en ellos en cientos de terabytes.

En Rusia, muchos científicos destacados están involucrados en los problemas de la nanoquímica, entre ellos una parte importante de los miembros del Departamento de Química y Ciencias de los Materiales de la Academia de Ciencias de Rusia. Sin embargo, la mayoría de ellos no tienen acceso sistemático a instrumentos, sin los cuales el diagnóstico moderno de nanosistemas es imposible. Gracias a los esfuerzos de los académicos O. M. Nefedov y V. A. Kabanov, se hizo una contribución significativa a la química física de los nanosistemas durante la implementación del Programa Federal Científico y Técnico "Investigación y desarrollo en áreas prioritarias de desarrollo de ciencia y tecnología con fines civiles". ”en 1999-2001. Parece importante implementar programas académicos dirigidos por los académicos M.V Alfimov y N.P. Lyakishev, así como una serie de otros proyectos especializados.

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Quizás no exista una definición exhaustiva del concepto de nanotecnología, pero por analogía con las microtecnologías actuales se deduce que las nanotecnologías son tecnologías que operan con cantidades del orden de un nanómetro. Por tanto, la transición de “micro” a “nano” es una transición cualitativa de la manipulación de la materia a la manipulación de átomos individuales. Cuando hablamos del desarrollo de la nanotecnología, nos referimos a tres direcciones: la producción de circuitos electrónicos (incluidos los volumétricos) con elementos activos con dimensiones comparables a las de las moléculas y los átomos; desarrollo y producción de nanomáquinas; manipulación de átomos y moléculas individuales y ensamblaje de macroobjetos a partir de ellos. Los avances en estas áreas se vienen produciendo desde hace mucho tiempo. En 1981 se creó un microscopio de túnel que permite la transferencia de átomos individuales. El efecto túnel es un fenómeno cuántico de penetración de una micropartícula de una región de movimiento clásicamente accesible a otra, separada de la primera por una barrera de potencial. La base del microscopio inventado es una aguja muy afilada que se desliza sobre la superficie en estudio con un espacio de menos de un nanómetro. En este caso, los electrones de la punta de la aguja atraviesan este espacio hasta llegar al sustrato.

Sin embargo, además de los estudios de superficie, la creación de un nuevo tipo de microscopios ha abierto un camino fundamentalmente nuevo para la formación de elementos de tamaño nanométrico. Se obtuvieron resultados únicos sobre el movimiento de los átomos, su eliminación y deposición en un punto determinado, así como sobre la estimulación local de procesos químicos. Desde entonces, la tecnología ha mejorado significativamente. Hoy en día, estos logros se utilizan en la vida cotidiana: la producción de cualquier disco láser, y más aún la producción de DVD, es imposible sin el uso de métodos de control nanotécnicos.

La nanoquímica es la síntesis de sustancias y materiales nanodispersos, la regulación de las transformaciones químicas de cuerpos de tamaño nanométrico, la prevención de la degradación química de nanoestructuras y los métodos de tratamiento de enfermedades utilizando nanocristales.

Las siguientes son las áreas de investigación en nanoquímica:

• - desarrollo de métodos para ensamblar moléculas grandes a partir de átomos mediante nanomanipuladores;
• - estudio de reordenamientos intramoleculares de átomos bajo influencias mecánicas, eléctricas y magnéticas. Síntesis de nanoestructuras en flujos de fluidos supercríticos; desarrollo de métodos de ensamblaje dirigido con formación de nanoestructuras fractales, de marco, tubulares y columnares.
• - desarrollo de la teoría de la evolución fisicoquímica de sustancias y nanoestructuras ultradispersas; creando formas de prevenir la degradación química de las nanoestructuras.
• - obtención de nuevos nanocatalizadores para las industrias química y petroquímica; estudiando el mecanismo de reacciones catalíticas en nanocristales.
• - estudio de los mecanismos de nanocristalización en medios porosos en campos acústicos; síntesis de nanoestructuras en tejidos biológicos; desarrollo de métodos para el tratamiento de enfermedades mediante la formación de nanoestructuras en tejidos con patología.
• - estudio del fenómeno de la autoorganización en grupos de nanocristales; buscar nuevas formas de prolongar la estabilización de nanoestructuras con modificadores químicos.
• - El resultado esperado será una gama funcional de máquinas que proporcionen:
• - metodología para estudiar reordenamientos intramoleculares bajo influencias locales en las moléculas.
• - nuevos catalizadores para la industria química y la práctica de laboratorio;
• - nanocatalizadores de óxidos de tierras raras y vanadio de amplio espectro de acción.
• - metodología para prevenir la degradación química de nanoestructuras técnicas;
• - métodos para predecir la degradación química.
• - nanomedicamentos para terapia y cirugía, preparados a base de hidroxiapatita para odontología;
• - un método para tratar enfermedades oncológicas mediante la realización de nanocristalización intratumoral y la aplicación de un campo acústico.
• - métodos para crear nanoestructuras mediante agregación dirigida de nanocristales;
• - técnicas para regular la organización espacial de nanoestructuras.
• - nuevos sensores químicos con fase activa ultradispersa; Métodos para aumentar la sensibilidad de los sensores mediante modificación química.